离子极化理论是
离子键理论的重要补充。离子极化理论认为:
离子化合物中除了起主要作用的
静电引力之外,
诱导力起着很重要的作用。离子本身带电荷,阴、
阳离子接近时,在相反电场的影响下,
电子云变形,正、
负电荷重心不再重合,产生
诱导偶极,导致离子极化,致使物质在结构和性质上发生相应的变化。
离子的极化作用和变形性
离子
极化作用的大小决定于离子的极化力和
变形性。离子使异号离子极化而变形的作用称为该离子的“极化作用”;被异号离子极化而发生离子电子云变形的性能称为该离子的“变形性”。虽然异号离子之间都可以使对方极化,但因阳离子具有多余的
正电荷,半径较小,在外壳上缺少电子,导致
离子势大,因此它对相邻的
阴离子起
诱导作用显著;而阴离子则因半径较大,在外壳上有较多的电子容易变形,容易被诱导产生诱导偶极。所以,对阳离子来说,极化作用应占主要地位,而对阴离子来说,变形性应占主要地位。
影响离子极化作用的主要因素
(1)离子壳层的
电子构型相同,半径相近,电荷高的阳离子有较强的极化作用。例如:Al3+ > Mg2+ > Na+
(2)半径相近,电荷相等,对于不同电子构型的阳离子,其极化作用大小顺序如下:
(3)离子的构型相同,电荷相等,半径越小,离子的极化作用越大。
但由于阳离子半径
相互差别不大,所以,阳离子的电荷数越大,极化力越大。为了衡量阳离子极化力,曾有许多人将正电荷数和半径综合起来找出统一的标度。例如,卡特雷奇(G·H·Cartledge)以离子势 φ=Z/r 为标度;
徐光宪以静电势能 Z2/r 为标度…等等。这些都是
经验公式,由于影响极化作用的因素较多,所以这些公式不能对所有离子都适用,还有许多例外。
影响离子变形性的主要因素
(1)离子的
电子层构型相同,正电荷越高的阳离子变形性越小。例如:
O2- > F- >Ne>Na+ > Mg2+ > Al3+ > Si4+
(2)离子的电子层构型相同,半径越大,变形性越大。例如:
F- < Cl- < Br- < I-
(3)若半径相近,电荷相等,18电子层构型和不规则(9—17电子)构型的离子,其变形性大于8电子构型
离子的变形性。例如:
Ag+ > K+ ; Hg2+ > Ca2+
(4)复杂阴离子的变形性通常不大,而且复杂阴离子
中心原子氧化数越高,其变形性越小。例如:
ClO4- < F- < NO3- <
H2O <
OH- <CN- < Cl- <Br- < I-
SO42- < H2O < CO32- < O2- < S2-
从上面的
影响因素看出,最容易变形的离子是体积大的阴离子(如I-、S2-等)和18电子层或不规则电子层的少电荷的阳离子(如:Ag+、Hg2+等)。最不容易变形的离子是半径小,电荷高,8电子构型的阳离子(如:Be2+、Al3+ 、Si4+等)。
对于阴离子的变形性也可用离子势的
倒数1/φ来表征,即 = 。当然,这个公式也只对某些
简单阴离子适合。
离子的附加极化
在上面的讨论中,偏重于阳离子对阴离子的极化作用。但是,当阳离子也容易变形时,阴离子对阳离子也会产生极化。两种离子相互极化,产生附加
极化效应,加大了离子间引力,因而会影响离子间引力所决定的许多化合物性质。
1. 18电子层或不规则电子层构型的阳离子容易变形,可产生附加极化作用。
2.同一族,从上到下,18电子层构型的离子附加极化作用递增。例如:在锌、镉、汞的
碘化物中总极化作用依
Zn2+ < Cd2+ < Hg2+顺序增大。
3.在18电子层构型阳离子的化合物中,阴离子变形性越大,附加极化作用越强。
离子极化对化合物性质的影响
离子极化理论对于由典型
离子键向典型
共价键过渡的一些过渡型化合物的性质可以作出比较好的解释。下面举例谈一下离子极化对化合物性质的影响。
影响离子晶格变形
在典型的
离子化合物中,可以根据离子
半径比规则确定
离子晶格类型。但是,如果阴、阳离子之间有强烈的相互极化作用,晶格类型就会偏离离子半径比规则。在AB型化合物中,离子间相互极化的结果缩短了离子间的距离,往往也减小了
晶体的
配位数。晶型将依下列顺序发生改变:
相互极化作用递增,晶型的配位数递减.
例如:
AgCl、
AgBr和AgI,按离子半径比规则计算,它们的晶体都应该属于NaCl 型晶格(配位数为6)。但是, AgI却由于离子间很强的
附加极化作用,促使离子强烈靠近,结果AgI以 ZnS 型晶格存在。
影响离子晶体熔点、沸点下降
由于离子极化作用加强,化学键型发生变化,使离子键逐渐向
极性共价键过渡。导致
晶格能降低。例如:AgCl 与 NaCl 同属于NaCl 型晶体,但Ag离子的极化力和变形性
远大于Na离子,所以,AgCl的键型为过渡型,晶格能小于NaCl的晶格能。因而AgCl的熔点(455℃)远远低于NaCl的熔点(800℃)。
化合物的颜色加深
影响化合物颜色的因素很多,其中离子极化作用是一个重大的影响。在化合物中,阴、阳离子相互极化的结果,使
电子能级改变,致使
激发态和
基态间的能量差变小。所以,只要吸收
可见光部分的能量即可引起激发,从而呈现颜色。极化作用愈强,激发态和
基态能量差愈小,化合物的颜色就愈深。例如:
在极性溶剂中溶解度下降
物质的
溶解度是一个复杂的问题,它与晶格能、
水化能、
键能等因素有关,但离子的极化往往起很重要的作用。一般说来,由于
偶极水分子的吸引,离子化合物是可溶于水的,而共价型的无机晶体却难溶于水。因为水的
介电常数(约为80)大,离子化合物中阳、阴离子间的吸引力在水中可以减少80倍,容易受热运动及其它力量冲击而分离溶解。如果离子间相互极化强烈,离子间吸引力很大,甚至于键型变化,由离子键向共价键过渡,无疑会增加溶解的难度。因此说,随着
无机物中离子间相互极化作用的增强,共价程度增强,其溶解度下降。例如:
影响离子化合物热稳定性下降
在离子化合物中,如果阳离子极化力强,阴离子变形性大,受热时则因相互作用强烈,阴离子的
价电子振动剧烈,可越过阳离子
外壳电子斥力进入阳离子的
原子轨道,为阳离子所有,从而使化合物分解。
在
二元化合物中,对于同一阴离子,若阳
离子极化力越大,则化合物越不稳定。例如,
KBr的稳定性远远大于AgBr的稳定性。对于同一阳离子来说,阴离子的变形性越大,电子越易靠拢阳离子上,化合物就越不稳定,越容易分解。例如:
在
含氧酸中,阳离子极化力大的盐,则由于阳离子的反极化作用强,对相邻
氧原子的电子云争夺力强,受热时容易形成
金属氧化物使盐分解。例如:
含氧酸与其
含氧酸盐相比较,含氧酸的
热稳定性比其盐小得多。
对盐的水解性的影响
盐类水解是指盐类溶于水后,阳离子或阴离子和水
分子间相互作用,生成
弱电解质(
弱酸、
弱碱、
碱式盐或氧基盐等)的过程。
水解作用的强弱与阳离子及阴离子对水分子所具有的
电场力大小有关。若离子的电场力强,对水分子的极化作用大,能够引起水分子变形产生较大偶极,甚至断裂成两部分:OH-、H+,与离子电荷相反的一部分组合在一起,形成
水解产物。对于盐来说,不一定阴、阳离子同时发生水解。若盐的阴离子水解,则生产弱酸,其酸的强度越弱,盐的
水解度越大。若阳离子水解,其水解能力与离子极化力成正比。有人找出
水解常数的负
对数pKh为Z2/r的函数。例如:
从表中几例可以看出,离子的极化力越大,离子的水解度越大(
pKa值越小)。
增强导电率和金属性
有的情况下,阴离子被阳离子极化后,使
自由电子脱离了阴离子,这样就使离子晶格向
金属晶格过渡,
电导率因而增加,
金属性也相应增强,
硫化物的
不透明性,
金属光泽等都与此有关。如FeS、CoS、NiS等化合物,特别是它们的矿石均有金属光泽。
离子极化理论在
无机化学中,有一定的实用价值,能够粗略地解释一些简单无机物的性质,成为无机化学、
结晶化学等教科书中的一个基本原理。然而此理论还没有得到量子化学家更多的支持,而且在
无机化合物中,离子型的化合物也毕竟只是一部分,所以在应用时应充分注意它的局限性,不宜乱加套用。